Distribution features of spontaneous combustion "three zones" in goaf of Xiaozhuang Coal Mine
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摘要:
为了防止采空区内遗煤氧化积热自燃诱发矿井火灾，以小庄煤矿40201工作面采空区为研究对象，通过现场实测采空区内O2和CO浓度，利用Matlab软件得到O2和CO浓度的分布规律和等值线图，以O2浓度作为自燃“三带”的划分指标，获得试验工作面采空区自燃“三带”的分布范围，将O2和CO浓度进行叠加，确定采空区内高危险区域的范围，并计算了工作面的最大停产整顿时间为7 d。真实、直观地显示出采空区自燃“三带”的分布情况，能够为小庄煤矿采空区防灭火工作的实施提供技术支撑，确保40201工作面的安全回采。
Abstract:In order to prevent the spontaneous combustion of residual coal oxidation heat accumulation in goaf from inducing mine fires, this article takes the goaf of 40201 working face of Xiaozhuang Coal Mine as the research object, the O2 and CO concentration in goaf were measured on-site, Matlab was used to obtain the distribution law and contour map of O2 and CO concentration, the O2 concentration was used as the dividing index of spontaneous combustion "three zones", and the distribution range of spontaneous combustion "three zones" in goaf of the test working face was obtained. The O2 and CO concentration was superimposed to determine the range of high risk area in goaf, and the maximum production shutdown and rectification time of the working face was calculated to be 7 d. The distribution of spontaneous combustion "three zones" in goaf can be shown in a real and intuitive way, which can provide technical support for the implementation of fire prevention and suppression work in goaf of Xiaozhuang Coal Mine, and ensure the safety coal winning of 40201 working face.
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近年来，为提高矿井开采效率，我国煤矿开展了高产高效矿井建设，这也使得大多数矿井安全问题愈加突出[1-2]。采空区遗煤自燃是诱发煤矿事故的主要灾害之一，而自燃“三带”划分是防止采空区自然发火的基础[3]，一直都是众多科技人员研究的重点，也取得了丰硕的成果。
郝宇等[4]以新集一矿为研究对象，分析了在不同风量和瓦斯浓度条件下的采空区自燃“三带”分布特征，研究结果表明采空区内氧化带宽度随着进风量的增大而增大，随着瓦斯涌出量的增大而减小；石政锋[5]通过井下现场试验研究了大采高工作面在不同高度下的采空区自燃“三带”分布情况，结果表明随着采空区垂直高度的上升，自燃“三带”的分布越来越宽，危险区域的范围越来越大；DENG等[6]在试验工作面采空区“三带”划分的基础上，计算出工作面极限推进速度为4.8 m/d，并建立了预测煤层自燃温度的PSO-SVR模型，可以对采空区煤自燃温度进行预测；徐国华[7]利用数值模拟软件研究了公乌素矿1604工作面采空区自燃“三带”的分布范围，并分析了工作面风量对推进速度的影响；杨夺等[8]以苏家沟矿为背景，在漏风极限条件下，利用软件对采空区风量流场进行分析，得出采空区自燃“三带”分布特征；李宗翔等[9]利用高O2浓度区域和高温度区域叠加的方法确定了采空区内氧化带的范围，从而为采空区自然发火提供了判定条件。
虽然诸多科研工作者在现场实测和模拟分析等方面对采空区自燃“三带”分布开展了大量的研究，但借助于MATLAB软件来反映采空区自燃“三带”分布范围的研究鲜有报道。基于此，以小庄煤矿40201工作面采空区为研究对象，利用MATLAB软件对数据进行分析处理，得到采空区自燃“三带”的分布特征；将O2和CO浓度相叠加，确定出采空区自然发火的高危险区域。该研究方法在反映采空区自燃“三带”分布和危险区域判定方面可视化效果更佳，越是在较为复杂的矿井地质条件下，越能体现出该方法的实用性，从而为制订采空区防灭火技术方案提供更加科学、有效的指导。
1. 试验工作面概况和自燃“三带”的划分标准
1.1 试验工作面概况
小庄煤矿40201工作面走向长1 237 m，倾向长179.55 m，煤层赋存较稳定，瓦斯压力为0.31~0.33 MPa，厚度12~15 m，煤层倾角为5°~7°，瓦斯含量为6.98 m3/t，自燃倾向性等级为Ⅰ级，自然发火期为22 d，采用后退式走向长壁机械化放顶开采法。
1.2 自燃“三带”的划分
采空区自燃“三带”可以划分为散热带、氧化带和窒息带[10]。常用的“三带”划分依据有3种，分别是根据漏风风速划分、O2浓度划分和温度划分。选取O2浓度划分方法，原因在于O2浓度是个标量，在数据获取时，具有测量设备操作简单，便于测定、数据误差较小等优点。基于40201工作面煤样在实验条件下测得的自然发火的临界O2体积分数为6%，考虑到煤贫氧化的存在和现场浮煤厚度分布情况，并结合相关文献[11-14]，将采空区自燃“三带”划分的O2体积分数限定为：散热带O2体积分数>15%；15%≥氧化带O2体积分数≥5%；窒息带O2体积分数 < 5%。
2. 测点布置及实际测试结果
2.1 束管监测系统建立
本次数据观测采用现场埋管方式进行气体动态取样，选取JSG-8型束管监测系统。该系统主要由井上气体分析系统和井下测试地点束管气体取样系统组成，利用高压抽气泵和一束多芯的管缆抽取采空区测试地点所含有的多组分气样(N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2)，再利用GC4085型气相色谱仪对采集到的气样进行全自动分析，能够实时测定各测点的气体组分浓度，同时可以对监测点煤自燃过程中标志性气体浓度超过安全指标时发出警报[15]。
2.2 测点布置方式
束管布置地点为小庄煤矿40201工作面，布置方式如图 1所示。从该工作面回风侧的隅角沿倾向方向依次布置测点，共布置6个测点，编号分别为10#、30#、50#、70#、90#、102#(上隅角)。将外径60 mm、厚度3.5 mm的钢管每4 m截成一段，钢管的两端焊接快速接头，将束管的管缆插入套管内，用快速接头将2个套管连接固定后埋入采空区。
2.3 观测内容与方法
煤自然发火条件之一是煤炭处于一个持续供氧的漏风环境中。采空区内O2浓度的分布可以反映煤能否发生自燃，其次，O2的分布不仅与漏风状态有关，同时与煤的氧化程度有关；区域内CO的浓度越高，说明该区域内遗煤的氧化程度越高，CO浓度分布可以反映遗煤氧化状态的剧烈程度[11, 16]，可为采空区自然发火提供判定条件。基于此，从8种气体中选用O2和CO两种指标气体进行考察分析，具体方法如下：
1) 针对小庄煤矿40201工作面实际推进速度，每天采集1次气样；
2) 气样采集时，打开束管对应的控制开关, 预抽10 min左右；
3) 气样采集结束时，记录下每天工作面的推进距离；
4) 利用气体分析系统在3 h内完成采集的气样分析。
2.4 实测结果分析
通过在采空区埋设束管，对10#、30#、50#、70#、90#及102#采样点经过36 d的井下实测，并对采集到的气样在地面上进行数据分析，根据所得到的数据分析结果，将小庄煤矿采空区内O2与CO的体积分数绘制成图，如图 2所示。
由图 2(a)~(f)O2体积分数变化趋势可知，窒息带的宽度在30~42 m内；氧化带的宽度在进风口处相比其他地方要宽，根据10#采样点(与进风口水平距离30 m)所得的观测数据，此处的氧化带最远距工作面100 m，比50#采样点、70#采样点处的氧化带宽20~30 m。在只考虑进风口流量的情况下，进风口处风速较大，动能衰减较小，空气可以被风流送到采空区中部，甚至更远，致使此处氧化带往采空区深部推移，范围扩大。通过对采空区内CO浓度的检测，可以对采空区内遗煤的自然氧化程度做出预测。在CO集中区域，煤体与O2复合作用剧烈，说明此区域不但具备煤氧复合的必要条件，而且周围风速不会太大，产生的热量也不容易被带走。所以在CO浓度高的区域也是自然氧化剧烈、热量积聚的区域，该区域内自然发火的可能性较大，需要提前做出预防。
3. 基于MATLAB的试验数据分析
为了能够更加直观地观测井下气体分布特征，通过MATLAB软件对实测数据进行了处理。采空区O2体积分数分布云图和等值线图如图 3~4所示。
由图 4可以看出，小庄煤矿40201工作面采空区内O2体积分数的分布特征(左侧为进风巷)，通过观测O2体积分数分布等值线所对应的采空区走向和倾向距离可以确定采空区“三带”的大致范围。采空区进风巷氧化带(15%≥φ(O2)≥5%)自36 m处开始，一直延伸到采空区100 m以后；在采空区倾向方向距进风巷60 m处O2体积分数曲线(5%)趋于平稳，与倾向方向大致平行；在回风巷一侧O2体积分数曲线(5%)再次向采空区深部延伸，但变化幅度比进风巷一侧要小。
采空区内CO体积分数如图 5所示。利用MATLAB软件对图 5进行转化，得到采空区内CO体积分数等值线图，如图 6所示。
由图 5可见，CO的集中区域在采空区走向20~65 m内，采空区倾向60~160 m内，在此范围内CO的体积分数为0.006%~0.008%。越靠近中间区域CO体积分数越高，发生遗煤自燃的可能性也就越大，因此，上述区域是采空区需要重点防护的危险区域。
根据现场数据观测结合MATLAB软件分析，得到小庄煤矿采空区的“三带”分布范围，如表 1所示。
表 1 小庄煤矿采空区“三带”分布测点 散热带/m 氧化带/m 窒息带/m 10# < 39 39~100 >100 30# < 34 34~91 >91 50# < 35 35~71 >71 70# < 34 34~72 >72 90# < 37 37~84 >84 102# < 37 37~85 >85 小庄煤矿采空区“三带”分布如图 7所示。
从表 1和图 7可以看出，40201工作面采空区内氧化带的宽度为：运巷约64 m，风巷约50 m；采空区中部区域约37 m。散热带范围为29~38 m。试验工作面的日推进距离约4.3 m，遗煤在散热带时间较长，风巷需9 d后才能进入氧化带。
为了更好地对小庄煤矿40201工作面采空区内的自然发火危险区域进行刻画，使采空区自然发火的防护做到有的放矢，利用MATLAB图像处理功能对上述O2体积分数与CO体积分数的分布状况进行叠加。将采空区O2体积分数分布及CO体积分数分布图中分别选取氧化带(O2体积分数在5%~15%的区域)与CO体积分数在0.006%~0.008%的区域进行叠加，叠加效果如图 8所示。
由图 8可见，在采空区倾向距离(距进风巷)57~ 160 m内，采空区走向距离36~64 m内的虚线区域，存在较高的自然发火可能性。此区域选取在氧化带之内，煤体本身就具有较高的氧化自燃的可能性，再加上该区域是CO的高浓度分布区域(煤体氧化较为剧烈的区域)。因此，通过在氧化带的基础上叠加CO体积分数较高分布的区域，可以更好地对采空区内存在自燃危险性的区域进行刻画。由此可知，在图 8中的虚线区域是煤自燃的重点防护区域。
4. 工作面推进速度与自然发火的关系分析
随着工作面向前推进，采空区后部处于氧化带内的遗煤进入到窒息带，在没有充足O2供应的情况下，原本具有自燃危险性的遗煤逐渐丧失自然发火的可能性[17-19]。通过测定氧化带最大宽度Lmax，最短发火期Tmin，可以推测出工作面的极限推进速度Vmin[20]：
Vmin (1) 在井下实际生产过程当中，工作面会因为某些工况的故障而停止向前推进。则推进速度V = Lmax/(Tmin- T)。其中，V为实际推进速度，m/d；T为工作面停产的时间，d。则T可以表示为：
T=T_{\min }-\frac{L_{\max }}{V} (2) 40201工作面的实际推进速度为4.3 m/d，最短自然发火期为22 d，氧化带的最大宽度为61 m。由此可以计算出工作面允许停顿的时间T =7.8 d，取整T =7 d。也就是说工作面最大停顿时间为7.8 d，在排除其他扰动的情况下，工作面以4.3 m/d的推进速度向前推进，可以在氧化带中的煤自然发火之前使之进入到窒息带，因此，氧化带中的危险区域的长度为L危= VT =4.3 m/d×7.8 d=33.54 m，取整为34 m。即从采空区氧化带最深处起，向工作面方向延伸34 m的距离内都是自然发火的危险区域，如图 9所示。
在图 9中以采空区走向长度57 m为界限，右侧斜实线表示区域为采空区工作面推进过程中所形成的自然发火危险区域，在此基础上再与CO体积分数分布较高的区域叠加(图 9所示的横虚线区域)，这样就确定了采空区内自然发火的高危险区域。该区域的大致范围是：采空区走向长度在57~67 m，采空区倾向长度在100~150 m的区域，此区域存在更高的自然发火的可能性。若工作面停顿时间较长，应及时提高工作面的推进速度，并向采空区距工作面50~70 m内注入惰性气体，防止火灾的发生。
5. 结论
1) 采用束管采样分析方法，实测了小庄煤矿40201工作面采空区内O2与CO浓度的变化情况，并用MATLAB对实测数据进行了处理，结果表明采空区内氧化带在进风侧的宽度约为61 m，在回风侧的宽度约为50 m，在中部区域的宽度为37 m左右。
2) 以O2浓度作为采空区自燃“三带”的划分指标，利用MATLAB软件获得自燃“三带”的分布范围；并以O2与CO浓度相叠加，确定了采空区内自然发火的高危险区域，为采空区自然发火提供了判定条件。
3) 根据工作面的实际推进速度，得出采空区内自然发火的高危险区域为采空区走向长度57~67 m，倾向长度100~150 m内的“三角形”区域，并且计算出40201工作面的最大停产整顿时间为7 d。
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表 1 小庄煤矿采空区“三带”分布
测点 散热带/m 氧化带/m 窒息带/m 10# < 39 39~100 >100 30# < 34 34~91 >91 50# < 35 35~71 >71 70# < 34 34~72 >72 90# < 37 37~84 >84 102# < 37 37~85 >85 
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